基于液芯MTC的低濃度血液葡萄糖光學(xué)傳感器研究

范洪強(qiáng)，張 帥，萬(wàn)洪丹*

(1.南京森林警察學(xué)院 特警學(xué)院, 南京 210023； 2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，南京 210023)

引 言

血糖是人體運(yùn)動(dòng)供能的主要來(lái)源，血糖值代表著血液中的葡萄糖濃度。人體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的劇烈運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中或運(yùn)動(dòng)后的低血糖現(xiàn)象，血糖降低會(huì)導(dǎo)致頭暈、惡心、嘔吐等不適，嚴(yán)重者可能出現(xiàn)休克或者死亡[1-3]。這種現(xiàn)象常見(jiàn)于羽毛球運(yùn)動(dòng)、馬拉松運(yùn)動(dòng)、自行車運(yùn)動(dòng)等項(xiàng)目中[4-6]。

近年來(lái)，在體育競(jìng)賽和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中發(fā)生了多起運(yùn)動(dòng)員因血糖過(guò)低導(dǎo)致猝死事件，如2019年,龍口馬拉松賽兩名參賽選手因機(jī)體血糖嚴(yán)重匱乏而死亡[1];2019年,黑龍江佳木斯馬拉松賽，一名49歲男子在參賽過(guò)程中因運(yùn)動(dòng)性低血糖突然猝倒[6]。由此可見(jiàn)，競(jìng)賽和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員血糖水平顯得尤為重要。目前，監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員血糖值的重要方法仍是指尖采血[7-8]。然而，指尖采血方法流程相對(duì)復(fù)雜，基于酶催化法來(lái)檢測(cè)血糖測(cè)試結(jié)果反饋時(shí)間長(zhǎng)，且樣本采集量通常為毫升量級(jí)。據(jù)研究，光譜信號(hào)檢測(cè)方法具有實(shí)時(shí)、快速的特點(diǎn)[9]，是血糖檢測(cè)最有前景的方法[10]。紅外光譜方法采用紅外光穿透人體皮膚實(shí)現(xiàn)人體血糖的無(wú)損檢測(cè)，然而實(shí)際人體血液環(huán)境帶來(lái)的背景噪聲較大，使得實(shí)際測(cè)試結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性受到影響[11]。因此，目前已有的葡萄糖濃度檢測(cè)方法仍然存在用時(shí)長(zhǎng)、靈敏度相對(duì)較低、測(cè)試速度以及樣本采集量高等缺陷。光學(xué)微腔作為一種特殊的光學(xué)器件，一方面，具有窄帶光譜特性，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的選模功能[12]；另一方面，具有Q值高、腔內(nèi)能量密度高、全光纖等優(yōu)勢(shì)，可用于傳感領(lǐng)域[13-16]。相比于實(shí)心微腔，空心微腔可以作為液體的傳輸通道,實(shí)現(xiàn)了液體傳輸與檢測(cè)通道二合一，可用于檢測(cè)微量的液體[17-19]。通過(guò)錐形光纖對(duì)齊進(jìn)行微腔耦合，激發(fā)高Q值回音壁模式(whispery gallery mode,WGM)共振譜，其腔內(nèi)WGM共振譜對(duì)外界環(huán)境或者介質(zhì)特性具有較高的光敏感特性，已成為生物分子、氣體化學(xué)成分等生化檢測(cè)應(yīng)用的重要方法[20-21]。

本文中提出一種基于液芯微管腔(microtube cavity,MTC)的低濃度血液葡萄糖光學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了超低樣本體積、高靈敏度的葡萄糖濃度檢測(cè)，利用石英毛細(xì)管熔融拉錐方法制備了品質(zhì)因子Q>106的玻璃微腔；通過(guò)對(duì)MTC的表面功能化,提高了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性；該傳感器具有很高的線性度，靈敏度約為0.911pm/(mmol/L)，最小可檢測(cè)葡萄糖濃度為2.65mmol/L，檢測(cè)樣液體積約為90nL。該傳感器在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員血糖的實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)方面具有重要的研究意義。

1 傳感器原理

傳感器由中空柱狀 MTC和錐形光纖組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中圓環(huán)代表MTC，直線代表錐形光纖，圓環(huán)中的黑色部分為液芯，圓環(huán)與之間的間隔為耦合間距。MTC外徑和壁厚t分別設(shè)置為10μm和0.6μm，錐形光纖錐區(qū)直徑為1μm。微管腔和錐形光纖材料均為石英，折射率為1.4446，MTC和錐形光纖的耦合間距為d。

Fig.1 MTC and tapered fiber coupling model observed by FDTD

使用時(shí)域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)算法仿真在不同d時(shí)MTC的WGM光譜。受計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存的限制，所構(gòu)建的模型尺寸小于實(shí)驗(yàn)制備的器件尺寸。仿真時(shí)網(wǎng)格精度設(shè)置為100nm，光源波長(zhǎng)范圍1.5μm～1.6μm，掃描精度為1pm。如圖2所示，保持直徑不變，采用壁厚t從0.7μm～1.1μm的MTC與錐形光纖耦合。取耦合間距d為0.4μm～0.8μm時(shí)進(jìn)行分析，比較不同d的WGM譜特性。當(dāng)MTC壁厚為0.7μm時(shí)，(Q值最高)最佳耦合間距dopt=0.7μm；當(dāng)MTC壁厚為0.8μm時(shí)，最佳耦合間距為0.7μm；當(dāng)MTC壁厚為1μm時(shí)，最佳耦合間距為0.6μm；當(dāng)MTC壁厚為1.1μm時(shí)，最佳耦合間距為0.5μm。MTC壁厚從0.7μm增加到1.1μm，最佳耦合間距從0.7μm逐漸減小至0.5μm。仿真結(jié)果表明，增加MTC的壁厚，最佳耦合間距d逐漸減小。

Fig.2 Optimal coupling spacing of MTC with different wall thickness

當(dāng)空心MTC中注入溶液時(shí)，MTC內(nèi)外壁的倏逝場(chǎng)將重新分布，因而耦合條件會(huì)發(fā)生改變。向上述MTC中注入折射率為1.36的溶液，形成液芯MTC。將不同壁厚的液芯MTC與錐形光纖耦合，壁厚t從0.7μm增加到1.1μm，耦合間距從0μm以0.1μm的步長(zhǎng)逐漸增加。如圖3所示，取耦合間距0.3μm～0.7μm分析可知，增加MTC壁厚，回音壁模共振譜紅移。取耦合間距0.3μm～0.7μm分析可知，增加液芯MTC壁厚，其WGM共振譜紅移。在同一壁厚條件下，不同耦合間距激發(fā)的共振波長(zhǎng)位置不變。當(dāng)液芯MTC壁厚為0.7μm時(shí)，最佳耦合間距dopt=0.5μm，Q=3×103；當(dāng)液芯微管腔的壁厚為0.9μm時(shí)，最佳耦合間距為0.5μm，Q=2.9×103；當(dāng)液芯微管腔的壁厚為1.0μm時(shí)，最佳耦合間距為0.4μm，Q=2.8×103；當(dāng)液芯微管腔的壁厚為1.1μm時(shí)，最佳耦合間距為0.4μm，Q=2.9×103。由此可知，當(dāng)液芯MTC的壁厚從0.9μm增加到1.1μm時(shí)，其與錐形光纖的最佳耦合間距從0.5μm逐漸減小為0.4μm。通過(guò)與上述空心MTC的最佳耦合間距仿真對(duì)比可得，同樣壁厚的液芯MTC與錐形光纖的最佳耦合間距小于空心MTC與錐形光纖耦合的最佳耦合間距。

當(dāng)向MTC中注入液芯時(shí)，液芯的折射率變化會(huì)引起WGM共振譜的漂移。向直徑為20μm、壁厚為0.8μm的MTC中注入不同折射率的溶液形成液芯微管腔，液芯折射率為1.34～1.42，折射率增加步長(zhǎng)為0.02。根據(jù)上述液芯微管腔與錐形光纖的最佳耦合分析，將耦合間距設(shè)置為0.4μm。如圖4所示，液芯折射率的增大導(dǎo)致WGM共振譜波長(zhǎng)紅移，且液芯折射率越大，共振波長(zhǎng)漂移量越大。這是因?yàn)橐盒镜恼凵渎试酱?，MTC與液芯的折射率差越大，因而使更多的倏逝場(chǎng)能量分布于微管腔的內(nèi)壁附近。折射率變化范圍為1.34～1.42，相鄰折射率的波長(zhǎng)漂移量分別為：4.99nm,5.28nm,6.08nm,6.38nm。

由共振條件2πRneff=mλ(其中，R是微腔半徑，m為不小于1的正整數(shù))可知，當(dāng)微腔的結(jié)構(gòu)參量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起共振波長(zhǎng)λ的改變。因此當(dāng)液芯MTC的壁厚發(fā)生改變時(shí)，微腔的有效折射率neff發(fā)生變化，共振波長(zhǎng)λ發(fā)生漂移。取液芯MTC的壁厚分別為0.7μm,0.8μm,0.9μm,1.0μm，與直徑為1μm的錐形光纖耦合，耦合間距為400nm。如圖5所示，向不同壁厚的液芯MTC中注入折射率為1.34～1.42的液芯，折射率步長(zhǎng)為0.02。液芯折射率增大，共振波長(zhǎng)發(fā)生紅移。液芯MTC的壁厚不同，共振波長(zhǎng)的漂移量不同。液芯MTC的壁厚為0.7μm，共振波長(zhǎng)漂移量為30.07nm；液芯MTC的壁厚為0.8μm，共振波長(zhǎng)漂移量為22.73nm；液芯MTC壁厚為0.9μm，共振波長(zhǎng)漂移量為17.08nm；液芯MTC的壁厚為1.0μm，共振波長(zhǎng)漂移量為12.58nm。仿真結(jié)果表明，隨著液芯MTC的壁厚減小，共振波長(zhǎng)漂移量增大，微腔對(duì)液芯折射率變化的敏感性增強(qiáng)。

Fig.3 Optimal coupling spacing of MTC core with different wall thickness

Fig.4 WGM resonance spectra of MTC core with different refractive index

Fig.5 WGM resonance spectrum of MTC core with different wall thickness

由公式S=Δλ/Δn(其中，Δn表示折射率變化)可知，液芯微管腔的折射率傳感靈敏度S與共振波長(zhǎng)的漂移量Δλ成正比。如圖6所示，液芯微管腔的壁厚為0.7μm，折射率傳感靈敏度為0.3759μm/RIU；液芯微管腔壁厚為0.8μm，折射率傳感靈敏度為0.2841μm/RIU；液芯微管腔壁厚為0.9μm，折射率傳感靈敏度為0.21345μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.0μm，折射率傳感靈敏度為0.15725μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.1μm，折射率傳感靈敏度為0.1117μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.2μm，折射率傳感靈敏度為0.07725μm/RIU，即隨著液芯微管腔壁厚的增加，折射率傳感靈敏度減小。圖中,RIU(refractive index unit)表示單位折射率。

Fig.6 Refractive index sensing sensitivity of MTC with different wall thickness

Fig.7 MTC with different diameters

取MTC的壁厚為0.8μm，錐形光纖的直徑為1μm，二者耦合間距為0.4μm。保持其它參量值不變，向空心MTC中分別注入折射率為1.34和1.36的液芯。注入折射率1.36的液芯，共振波長(zhǎng)相較于折射率1.34的液芯發(fā)生紅移。如圖7所示，隨著液芯MTC直徑的增大，WGM共振譜發(fā)生紅移，且共振波長(zhǎng)漂移量會(huì)逐漸增大。因而折射率傳感靈敏度隨著液芯MTC的直徑增大而增大。

2 傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

MTC和錐形光纖耦合的顯微圖像如圖8所示。作者使用熔融拉錐法實(shí)驗(yàn)制備了外徑約為89.1μm的MTC，并通過(guò)管內(nèi)氣壓控制法將MTC的壁厚拉伸到約2.5μm。通過(guò)錐形光纖與柱狀微腔耦合激發(fā)WGM，測(cè)得MTC的Q因子約為1.1×106。MTC和錐形光纖(錐區(qū)直徑約為2μm～3μm)之間的耦合距離由精度為20nm的高精度電控位移平臺(tái)控制。過(guò)耦合用于確保整個(gè)傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MTC可以將WGM特性與其微流控的固有能力相結(jié)合，并且Q因子相對(duì)較高，MTC的管壁薄而彎曲，具有大表面積，可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的互作用。所有這些都有助于在小范圍內(nèi)有效激發(fā)強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，并有助于實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度測(cè)試的低檢測(cè)極限和高靈敏度檢測(cè)。

Fig.8 a—microscope photos of MTC-tapered fiber coupling system b—WGM spectrum test results with Q value of 1.1×106

基于MTC的葡萄糖濃度生物光學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。使用蠕動(dòng)泵將葡萄糖溶液注入MTC(型號(hào)TJ-3A，蠕動(dòng)泵的最小流速為7μL/min)。調(diào)諧光源中心波長(zhǎng)為1550nm，線寬小于5kHz，調(diào)諧范圍為35GHz。通過(guò)錐形光纖耦合MTC激發(fā)WGM共振譜，并由光電探測(cè)器(photoelectric detector,PD)接收，其帶寬為125MHz,由偏振控制器(polarization controller，PC)控制入射光的偏振狀態(tài)。

Fig.9 Schematic diagram of glucose concentration bio-optical sensor experimental setup based on MTC

2.2 穩(wěn)定性測(cè)試

采用過(guò)耦合方式實(shí)現(xiàn)微腔與錐形光纖的耦合，確保MTC耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先，將去離子水泵入MTC，測(cè)試傳感器的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。每10min記錄一次MTC的WGM光譜,并連續(xù)測(cè)量1h。WGM光譜的最大波長(zhǎng)漂移約為0.89pm。MTC中的WGM共振不僅對(duì)目標(biāo)分析物敏感，而且對(duì)環(huán)境干擾(例如機(jī)械振動(dòng)和溫度變化)敏感。對(duì)于可檢測(cè)的目標(biāo)分析物變化，WGM光譜的波長(zhǎng)偏移應(yīng)大于0.89pm。傳感系統(tǒng)放置在隔振光學(xué)平臺(tái)上，溫度擾動(dòng)是潛在的噪聲源，應(yīng)考慮進(jìn)一步改進(jìn)以抑制傳感器的不穩(wěn)定。

Fig.10 WGM spectra of cylindrical microcavities measured within 1h(inset: enlarged view of WGM spectrum)

將具有5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液泵入柱狀微管腔中。溶液折射率測(cè)試結(jié)果如表1所示，每種溶液的折射率(refractive index,RI)用阿貝折射儀測(cè)量5次取平均值。

Table 1 The refractive index of five different concentrations of NaCl solution was measured five times each time

保持錐形光纖-MTC的耦合條件穩(wěn)定且不變,逐步將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.026，0.028，0.030，0.032，0.034的NaCl溶液泵入MTC，WGM光譜的對(duì)比結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，隨著泵入的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，WGM光譜會(huì)發(fā)生紅移，因?yàn)槿芤赫凵渎实脑黾訉?dǎo)致WGM諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。圖11b為測(cè)得的WGM波長(zhǎng)偏移與NaCl溶液的折射率變化的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算MTC的體折射率靈敏度為23.36nm/RIU。

Fig.11 MTC with the increase of NaCl concentration

3 低濃度葡萄糖測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合微流控方法將被測(cè)液態(tài)分析物進(jìn)入MTC時(shí)，分析物與MTC內(nèi)表面的交聯(lián)可被視為光傳播的1階擾動(dòng)，可計(jì)算出傳播常數(shù)的變化：

(1)

式中，Δβ表示傳播常數(shù)的變化,下標(biāo)b表示生物分子與微腔表面綜合處,σp是生物分子的表面密度，εs是相對(duì)介電常數(shù)，αex表示由于單個(gè)生物分子引起的過(guò)量極化，τ表示MTC表面功能化后內(nèi)壁表面附近的場(chǎng)強(qiáng)變化，其大小與折射率和薄壁的厚度有關(guān),E(x,y)表示電場(chǎng)強(qiáng)度，L代表傳感區(qū)域長(zhǎng)度。分母的積分表示整個(gè)波導(dǎo)截面上的模能量，由于大多數(shù)能量都限制在MTC內(nèi)壁中，因此兩種模式(光纖模式和混合模式)的積分振幅幾乎相同；分子的積分表示MTC的內(nèi)壁表面的能量密度，對(duì)(1)式進(jìn)行變式可以獲得：

(2)

(2)式說(shuō)明了光場(chǎng)在微腔內(nèi)傳播常數(shù)的變化可引起WGM波長(zhǎng)的漂移。在MTC內(nèi)壁上捕獲更多的葡萄糖分子會(huì)導(dǎo)致更大的折射率變化，從而WGM波長(zhǎng)偏移量增加。因此，通過(guò)對(duì)MTC的表面功能化以增強(qiáng)對(duì)葡萄糖分子的捕獲，可以提高靈敏度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)對(duì)MTC的內(nèi)壁進(jìn)行表面功能化以捕獲更多的葡萄糖分子。表面功能化所需的生化試劑為：去離子水、醋酸鈉試劑、無(wú)水乙醇、無(wú)水葡萄糖、GOD、硝酸、濃硫酸和過(guò)氧化氫。

表面功能化步驟如下：(1)將去離子水多次泵入MTC中，以確保MTC清潔，再注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05的稀硝酸并密封在MTC中，靜置2.5h;(2)用去離子水和酒精交替清潔MTC,注入食人魚(yú)溶液濃硫酸溶液并在MTC中密封1h，以確保MTC內(nèi)壁表面上的羥基被完全活化;(3)將MTC保持中空并在室溫下干燥，然后將3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液泵入MTC，并靜置30min，再用去離子水和酒精沖洗以除去腔室的非共價(jià)鍵合的硅烷化合物;(4)將10mg/mL葡萄糖氧化酶(GOD)溶液(溶劑為乙酸鈉緩沖溶液)注入MTC中,將該MTC靜置2h,以確保在MTC的內(nèi)表面鹽化后，GOD-COOH基團(tuán)與NH3+充分反應(yīng);(5)依次用乙酸鈉緩沖溶液和去離子水沖洗MTC的內(nèi)部，然后使其干燥。在表面功能化過(guò)程中重要的是，保持MTC和錐形光纖耦合的穩(wěn)定性。

由于實(shí)驗(yàn)制備的MTC具有較小的管徑，結(jié)合微流控技術(shù)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試用到的樣品量可低至90nL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，隨著葡萄糖溶液的濃度增加，測(cè)得的WGM光譜紅移更大。從圖12a中可以看出，可檢測(cè)到由2.65mmol/L的低葡萄糖濃度變化引起大約為3.04pm的波長(zhǎng)偏移。葡萄糖濃度由0mmol/L變化到13.76mmol/L時(shí)，WGM共振波長(zhǎng)從1547.122nm移至1547.139nm,光譜位移范圍達(dá)到13.76pm。圖12b中給出了波長(zhǎng)偏移與葡萄糖濃度的函數(shù)線性擬合結(jié)果，表面功能化的MTC測(cè)試葡萄糖濃度具有較高的線性度，且其靈敏度約為0.911pm/(mmol/L)。

Fig.12 Results of glucose concentration tests

4 結(jié) 論

提出了一種基于液芯MTC的低濃度血液葡萄糖光學(xué)傳感器?；贔DTD算法仿真分析了MTC的尺寸結(jié)構(gòu)參量對(duì)耦合條件和液芯折射率傳感特性的影響。實(shí)驗(yàn)制備了外徑約為89.1μm，壁厚約為2.5μm的MTC。通過(guò)錐形光纖與柱狀微腔耦合激發(fā)WGM，測(cè)得MTC的Q因子約為1.1×106。通過(guò)表面功能化方法增強(qiáng)MTC的葡萄糖測(cè)試靈敏度，可實(shí)現(xiàn)的線性度為0.988，檢測(cè)靈敏度為0.911pm/(mmol/L)，最小可檢測(cè)葡萄糖摩爾濃度為2.65mmol/L，檢測(cè)樣液體積約為90nL。

本文中提出的基于MTC的低濃度血液葡萄糖光學(xué)傳感器具有高穩(wěn)定性、低樣本體積、快速檢測(cè)以及高成本效益的優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)員耐力訓(xùn)練中血糖的實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)，保障運(yùn)動(dòng)安全性和持久性等具有重要的實(shí)用價(jià)值。